页岩气是一种非常重要的非常规油气资源,其中吸附态页岩气占据了20%~80%。页岩气的主要成分是甲烷,理解矿物甲烷的吸附扩散特性对页岩气开采具有重要意义。考虑到分子模拟具有诸多的优点,本文采用分子模拟方法来研究页岩气的吸附扩散规律。首先,本文建立了多种宽度的蒙脱石、高岭石、绿泥石、石英的狭缝模型,并使用分子力学方法对模型进行几何优化。使用蒙特卡洛模拟来研究温度、压力、水分子、狭缝宽度对页岩气吸附的影响;使用分子动力学模拟来研究不同浓度甲烷在矿物狭缝中的赋存与扩散、水分子对甲烷赋存状态和扩散的影响、不同狭缝宽度中甲烷的赋存与扩散、小分子有机质存在情况下甲烷的赋存与扩散。研究表明页岩气在蒙脱石、高岭石、绿泥石、石英狭缝中的吸附存在差异性,且页岩气在此四种矿物中的吸附为物理吸附。水分子和甲烷同时存在矿物狭缝壁面时,壁面优先吸附水分子,从而迫使甲烷运移到狭缝的中间。水分子的存在会降低甲烷的吸附量,原因是水易与矿物壁面形成氢键,所以水分子的存在不仅会与甲烷抢占吸附空间,还会与甲烷在此四种矿物壁面附近抢占吸附位。狭缝宽度越大,吸附空间越多,所以甲烷的吸附量也就越大,并且甲烷的扩散系数也会越大;甲烷会在矿物的壁面附近形成吸附态甲烷。随着狭缝宽度的不断增加,壁面对狭缝中间位置的甲烷作用力减小,所以中间位置的甲烷为游离态。矿物狭缝壁面更加倾向于吸附小分子有机质,从而使甲烷运移至狭缝中间,使得壁面对甲烷的作用力降低。